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カスケードアークプラズマにおけるH線
シュタルク拡がりによる電子密度計測○難波愼一，上田恵，岩本勇樹，松岡雷士，
広島大学 大学院工学院
鈴木千尋，田村直樹
核融合科学研究所

カスケードアーク放電 –プラズマウィンドウの開発‐

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陰極と陽極との間に浮遊電極を設置するカスケードアーク放電では，安定して大気圧熱平衡プラズマが発生することができる．

カスケードアーク
放電の概念図

陰極

中間電極

陽極

アークプラズマ

大気側
圧力

真空側
プラズマ圧力
中性ガス圧力ガスの高温化による圧力上昇と粘性効果により，ガス流量を大幅に抑制！
→大気と真空を隔離する真空インターフェース（プラズマウィンドウ）として利用できる3/14

プラズマウィンドウの工学応用

米国ブルックヘブン国立研究所のHershcovitchはプラズマウィンドウを採用して，大気中での電子ビーム溶接に成功(PoP, 12, 057102, 2005)．
電子ビーム源
電子ビーム引き出し
大気圧側
プラズマウインドウ
溶接物

電子ビームで行われた溶接の写真

プラズマウィンドウ
温度: 1 eV
密度: 8.0×1016 cm-3
従来真空中で行われた加工・プロセス・観測が大気中で可能になる！
 電子ビーム→微細加工・溶接
 イオン注入・ドライエッチング→新材料開発・微細加工
 軟X線透過のための代替窓材→材料物性研究・生体細胞観測

軟Ｘ線透過窓としてのプラズマウィンドウ開発

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Pumping

プラズマウィンドウ部

プラズマX線レーザー発生部

target(Al)Pumping

XRL

照射物（大気中）YAG laser wavelength: 15.5 nm (80 eV) pulse duration: ~10 ns
 energy: ~100nJ

Transmission at He 760 Torr

1

Plasma window 5 cm
10 cm

Tgas=10,000 K

0.1

数cmの高性能プラズマウィンドウを実現すれば，大気中で軟X線を物質に照射可能 (>10%@80eV)
0.01

100200300

Photon Energy [eV]400500

http://henke.lbl.gov/optical_constants/

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Li様Alイオン3d-4f線 (15.47nm)

lasing

35000
30000

CCD count

励起用YAGレーザー
100 ps, 16pulse train
Total energy 3.0 J

40000

25000
20000
15000
10000

lasing

5000
1213141516wavelength [nm]Li‐like Alイオンでのレーザー発振に成功！

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研究目的

プラズマウィンドウを実用化するにはさらに高密度の熱プラズマを低コストで発生させ，且つ，長時間運転できることが不可欠！

研究目的
TPD型放電(Test Plasma by Direct current discharge)を利用した小型カスケードアーク源を開発
定常高温・高密度熱プラズマを長時間発生させる
目標値： 電子温度 2 eV, 電子密度 > 1017 cm-3
絶縁体

中間電極（10枚）

陽極

200 mm陰極

TPD型放電概略
300 mm

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実験装置 ‐TPD型放電源‐
中間電極（8枚）

120 mm

絶縁体

陰極フランジ

陽極フランジ陽極
100 mm陰極

陰極：CeWロッド（3.2 mm）陽極：Mo （3 mm）
中間電極：SUS or Mo（3 mm）
使用ガス: Ar ≦ 3.3 L/min
放電電流：≦100 A

プラズマジェット

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装置全体と可視分光光学系

可視分光計測はエンドポートから2台の分光器で行った（焦点位置はアノード）．

分光器1（温度計測）
f=190mm
150grooves/mm
CCD camera

膨張室

M1

放電部

分光器1lens

M2
BS
エンドポートから可視分光
分光器2
分光器2 （スペクトル形状計測）
f=1m
2400grooves/mm
CCD camera

1.0
Intensity (normalized)

M3

H lamp (486nm)
0.5 L/min, 10 A

H beta spectra

0.8
0.6
0.4
0.2
0.0-1.0-0.50.0
(nm)

0.51.0放電部ガス圧力の放電電流依存性

Discharge Pressure [kPa]12080
100608040604020200010203040
Discharge Current [A]50

Chamber Pressure [Pa]1401009/14

Ar Frow (L/min)
0.5
1.0
1.5
2.02.0 L/min, 50 A
放電部圧力：96.9 kPa
膨張室圧力： 0.1 kPa→ 約1000倍0 プラズマ発生により，放電部のガス圧が最大で約5倍上昇（@2L/min. 50A)
→低温ガス(300K)がカソード付近で加熱され，平均ガス温度が1500 Kに上昇
 放電部と膨張室の圧力比 約3桁の圧力隔壁を実現

Hスペクトル形状の放電電流・ガス流量依存性

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放電電流依存@1.0 L/min.
Discharge
current (A)1020304050

0.5-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5
(nm)

1.01.5

2.0

Intensity (normalized)

Intensity (normalized)

11.1
10.9
0.8

ガス流量依存@20A

0.7

Ar flow(L/min)
0.5
1.0
1.5
2.0

0.6
0.5
0.4
0.3
-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5
(nm)

1.0 1.5 2.0

→ 中心部と他のスペクトルはマスクし、ローレンツ関数でフィット

11/14（電子温度はAr IスペクトルのボルツマンプロットよりTe~1eV）
1.2Electron density (1016 cm-3)

Intensity (normalized)

1.1

0.5 L/min, 35 A
fitting curve

1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

 (nm)10864200123s(nm)電子密度neはHβ線シュタルク拡がり幅(FWHM) S から評価．

Δnm4.8.

Gigosos, Spectrochimica Acta Part B 58 pp.1489 (2003).

45電子密度の放電電流依存性
1.0 L/min, 50 A
電子密度：2.4×1016 cm-3
Ar flow (L/min)
0.5
1.0
1.5
2.0

2.0

陽極

陰極

1.5

膨張室

1.0

圧力

Electron density (1016 cm-3)

2.5

0.5
0.0

05

10~1/215 20 25 30 35 40
Discharge current (A)4550

圧縮性流体では出口圧力は約1/2に低下→チャンネル内の電子密度は~5×1016 cm-3以上

11/1212/14

1.6
1.4
1.213/14
Red shift~20pm

1.0

水素ランプと比較してプラズマはred shiftしている?

0.80.6
0.40.2

10A 1.0L/min
H lamp0.0
1.4
1.21.0非対称・中心にくぼみがある分布→アルゴンプラズマなので，水素の自己吸収は無視できるはず

0.8
0.6
0.4
0.2

50A 0.5L/min
H lamp0.0-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
(nm)

ローレンツ分布、軸対称均一プラズマに対してはikは、以下の式で与えられる．
1 
 ik dx dtexp 
222

1 x
 1  t 1  x 0021 1

ここで はスペクトル中心での光学的深さであり，次のように定義される．

e2mcf (1 2 ik

nk ( x0 ) g i )
ni ( x)dx0
ni ( x0 ) g k 2L

スペクトル形状の依存性1

=0.0 (no absorption)

Intensity [arb. units]

=0.1

0.1

=1.0

=5.0
0.01

1E-3-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0

1

2

3

4

5678

9 10

fik:振動子強度
L:プラズマ長ni (x0): x0での下準位密度nk (x0): x0での上準位密度

まとめと今後の課題

14/14○ プラズマ軟X線レーザー透過窓への応用を目指し，低コストで長時間運転可能なカスケードアーク放電源の開発を行っている○ 目標は温度2 eV, 密度1017 cm-3以上の大気圧熱プラズマの発生
カスケードアークの放電特性
電極径3 mmカスケードアーク源を製作し，大気圧プラズマ発生に成功
10cmのプラズマで圧力比約1000の圧力隔壁を実現
可視分光スペクトル計測の結果
 電子密度1016cm-3以上の定常アルゴンプラズマを発生
今後の課題
 より高効率で電極冷却を行うための電極構造・電極材の見直し（対策済み）
 強制冷却のためのクーリングタワー設置，大放電電流化(100A)でさらに高温高密度プラズマを発生→放電室・真空側の圧力比105以上のプラズマウィンドウを実現